§ 11. СПОСОБЫ ПОДДЕРЖАНИЯ ПОСТОЯНСТВА НАПРЯЖЕНИЯ НА ЗАЖИМАХ ГЕНЕРАТОРОВ
Напряжение на шинах судовой электростанции необходимо поддерживать близким к номинальному.
Для судовых электростанций характерны резкие изменения нагрузки, сопровождающиеся колебаниями напряжения и частоты на шинах станции. Напряжение на зажимах генератора можно регулировать ручными и автоматическими регуляторами напряжения.
Как известно, э.д.с. генераторов пропорциональна угловой скорости вращения ω и магнитному потоку Ф: Ε=kωΦ.
Скорость вращения задается первичным двигателем и поддерживается неизменной (w=const). Величину э.д.с. генератора, а значит и напряжение можно регулировать изменением магнитного потока, поэтому действие автоматических регуляторов напряжения основано на изменении тока возбуждения генератора при отклонении величины напряжения на его зажимах от заданного значения.
Напряжение на зажимах генераторов постоянного тока при неизменной скорости вращения изменяется в основном в результате колебания нагрузки, определяющей величину внутреннего падения напряжения в цепи якоря генератора (Iаrа). На величине напряжения сказывается также влияние реакции якоря.
В судовых электростанциях применяют, как правило, генераторы постоянного тока со смешанным возбуждением, у которых соответствующим подбором витков м. д. с. параллельной и последовательной обмоток достигается достаточная стабильность величины напряжения при изменении нагрузки от холостого хода до 110% номинальной. Кроме того, эти генераторы обеспечивают в известных пределах саморегулируемость напряжения в зависимости от нагрузки без каких-либо регулирующих устройств.
У синхронных генераторов напряжение на зажимах изменяется вследствие колебания тока статора, коэффициентов мощности нагрузки, частоты вращения первичного двигателя. На величину напряжения оказывают влияние также температура окружающей среды и нагрев элементов системы возбуждения, от которых зависит величина активных потерь I2r.
Величину напряжения регулируют вручную или автоматически.
Ручное регулирование тока возбуждения генераторов в судовых условиях при колебательном характере нагрузки неудобно в эксплуатационном отношении, не обеспечивает достаточной точности и скорости регулирования. Обычно ручные регуляторы возбуждения используют в период пуска генераторов для их первичного возбуждения, а также для перераспределения нагрузки между параллельно работающими генераторами постоянного тока. Схема включения регулятора показана на рис. 5.
Автоматическое регулирование протекает без участия человека под влиянием различных возмущающихся воздействий (отклонения напряжения от заданной величины, изменения тока нагрузки, коэффициента мощности, колебаний частоты и др.).
Устройство, посредством которого напряжение на зажимах генератора автоматически поддерживается в заданных пределах, называется автоматическим регулятором напряжения (АРН), а регулятор совместно с генератором — системой автоматического регулирования напряжения (САРН).
По принципу регулирования различают САРН: с регулированием по отклонению напряжения;
по возмущающему воздействию (изменению тока нагрузки и косинуса φ);
с комбинированным регулированием.
Регуляторами с регулированием по отклонению напряжения являются электромеханические регуляторы типа РУН, вибрационные и с электромашинными возбудителями.
К регуляторам с регулированием по возмущению относятся системы компаундирования, которые применяют для регулирования напряжения синхронных генераторов с возбудителями (регулятор типа УБК-М) и со статическими преобразователями (прямое компаундирование). Комбинированные системы (самовозбуждения и саморегулирования) содержат элементы обеих систем.
Рассмотрим некоторые наиболее распространенные способы автоматического регулирования напряжения судовых генераторов.
Исполнительным элементом автоматического угольного регулятора напряжения типа РУН (рис. 6, а) является угольный резистор (столб) 3, собранный из тонких, угольных шайб. Электрическое сопротивление угольного столба изменяется в зависимости от степени его сжатия; с увеличением давления сопротивление уменьшается, с уменьшением — увеличивается. Сила сжатия угольных столбов регулируется электромагнитной системой регулятора. Якорь 8 электромагнита через неравноплечий рычаг 4 связан с тягой 2, передающей через нажимное коромысло 1 давление на угольный столб. При заданной величине напряжения втягивающее усилие катушки электромагнита 6 уравновешивается силой нажатия балансной пружины 5.
Повышение напряжения на зажимах генератора сопровождается увеличением втягивающего усилия электромагнита, якорь втягивается в сердечник 7, в результате чего уменьшается давление на угольный столб. Сопротивление последнего возрастает, ток возбудителя уменьшается и напряжение снижается.
При уменьшении напряжения и втягивающего усилия электромагнита балансная пружина оттягивает якорь, тяга перемещается вниз, давление на угольный столб увеличивается, сопротивление реостата уменьшается, ток возбуждения возрастает и напряжение восстанавливается.
Рис. 5. Схемы включения регулятора возбуждения
В электрической схеме включения угольного регулятора РУН (рис. 6, б) угольный резистор обозначен буквой Р. В цепи обмотки возбуждения возбудителя установлен ручной регулятор возбуждения РВ.
Во время работы регулятора в установившемся режиме при различных значениях нагрузки напряжение на зажимах генератора может несколько отличаться от заданного значения. Для более точной настройки регулятора на заданную величину напряжения в цепь рабочей электромагнитной катушки ОЭ введен установочный резистор Ру.
Рис. 6. Автоматический угольный регулятор напряжения типа РУН: а — конструктивное устройство; б — схема включения
В угольных регуляторах регулируемое напряжение колеблется около заданного значения. Для сглаживания колебательного процесса и придания ему быстрозатухающего характера применяют стабилизирующий трансформатор ТС и электромагнитный регулятор с двумя катушками: рабочей (напряжения) ОЭ и стабилизирующей ОД. К стабилизирующей катушке подключается вторичная обмотка трансформатора ТС.
Так как м.д.с. обеих катушек направлены встречно, колебательный процесс быстро затухает. В цепь первичной обмотки трансформатора включен регулировочный резистор Rр.
Угольные регуляторы напряжения нечувствительны к колебаниям частоты тока во внешней сети в пределах 5—10%, просты в изготовлении, дешевы и имеют небольшой вес. В то же время их применение на судах ограничено вследствие:
недостаточного быстродействия из-за значительных электромагнитной и механической инерционностей;
склонности к автоколебаниям;
малой механической прочности и сравнительно низкой надежности;
значительных уравнительных токов между генераторами при их параллельной работе.
Рис. 7. Принципиальная электрическая схема: а — прямого; б — фазового компаундирования
Компаундирование синхронных генераторов — наиболее простой способ стабилизации напряжения.
Сущность его заключается в том, что ток возбуждения генератора определяется взаимодействием двух составляющих: пропорциональной напряжению генератора, создающей основной магнитный поток, и пропорциональной току нагрузки, компенсирующей действие факторов, влияющих на величину напряжения генератора. Компаундирование может быть косвенное, когда регулирующее воздействие осуществляется через возбудитель, и прямое, когда регулирующее воздействие оказывается непосредственно на цепь возбуждения генератора.
На рис. 7, а приведена принципиальная электрическая схема косвенного токового компаундирования синхронного генератора. Основными элементами ее являются синхронный генератор СГ, возбудитель В и трансформатор тока ТТ с полупроводниковым выпрямителем ВС. В данной схеме регулирующее воздействие оказывается через возбудитель, имеющий две обмотки возбужденияим параллельную ОНВ и независимую ОНВ. Компаундирующий ток iк, протекающий по обмотке ОНВ, пропорционален току статора. Создаваемая им намагничивающая сила арифметически складывается с основной намагничивающей силой обмотки возбуждения ОПВ, обеспечивая регулирующее воздействие на ток возбуждения генератора. При увеличении тока нагрузки в цепи статора генератора и снижении в результате этого напряжения на его зажимах величина компаундирующего тока iк возрастает пропорционально изменению тока нагрузки. Результирующий ток возбуждения также увеличится, вследствие чего восстановится напряжение на зажимах генератора.
В системе токового компаундирования регулирующее устройство реагирует только на изменение абсолютной величины тока нагрузки и нечувствительно к изменениям коэффициента мощности, (Точность регулирования системы — в пределах 5—10%). В то же время напряжение на зажимах генератора зависит также от коэффициента мощности. В системе амплитудно-фазового компаундирования (рис. 7, б) постоянство напряжения поддерживается с учетом влияния изменений как тока нагрузки, так и коэффициента мощности. Точность регулирования повышается до 3%.
Основными элементами системы фазового компаундирования являются: синхронный генератор СГ, возбудитель В, выпрямитель ВС, трансформаторы тока ТТ и напряжения TH. Вторичные обмотки трансформаторов ТТ и TH включены параллельно на вход выпрямителя. Так как обмотки трансформаторов соединены между собой до выпрямителя, составляющие результирующего тока возбуждения, пропорциональные напряжению генератора и току его нагрузки, складываются геометрически и величина тока возбуждения оказывается зависящей от коэффициента мощности нагрузки. При этом, однако, последовательно в цепь вторичной обмотки трансформатора TH должно быть включено компаундирующее сопротивление Ζκ (реактивное) с тем, чтобы между составляющими векторами был образован угол φк, близкий к 90°. В данном случае ток возбуждения генератора при увеличении нагрузки и уменьшении коэффициента мощности cos φ будет возрастать и поддерживать неизменной величину напряжения. Возбудитель имеет одну обмотку возбуждения, по которой протекают токи возбуждения iв и компаундирующий iк. Общий ток возбуждения равен их арифметической сумме.
На судовых электростанциях применяют синхронные генераторы с самовозбуждением. Процесс самовозбуждения у них протекает так же, как и у машин постоянного тока за счет остаточной магнитной индукции в стали ротора.
Однако процесс самовозбуждения синхронного генератора осложняется тем, что остаточное напряжение, составляет всего 2—5% , в то время как сопротивление полупроводниковых вентилей в прямом направлении при малых приложенных к ним напряжениях сравнительно велико. Одним из способов повышения остаточной э.д.с. является применение резонансных контуров. Конденсаторы в начальный момент процесса самовозбуждения служат нагрузкой в цепи статора и создают в его обмотках ток, опережающий напряжение.
За счет этого тока увеличиваются магнитный поток ротора и начальная величина остаточной э.д.с. статора.
Рис. 8. Упрощенная схема системы самовозбуждения и автоматического регулирования напряжения синхронного генератора
Упрощенная принципиальная схема системы самовозбуждения синхронного генератора и автоматического регулирования его напряжения показана на рис. 8, а.
Приведенная система построена по принципу прямого фазового компаундирования.
Основными элементами системы являются: синхронный генератор СГ, трехобмоточный суммирующий трансформатор ТС с обмотками: токовыми W1, напряжения W2 и рабочими (выходными) W3, емкостный компаундирующий блок С, силовой выпрямитель ВС. На схеме штриховой линией показано включение дополнительного элемента — корректора напряжения КН, повышающего точность регулирования. При наличии корректирующего элемента суммирующий трансформатор имеет дополнительную четвертую обмотку
В начальный момент генератор самовозбуждается за счет остаточного магнетизма в стали ротора. При вращении ротора в обмотке статора наводится остаточная э.д.с. и по замкнутому контуру, образуемому обмоткой статора генератора и обмоткой напряжения w2 трансформатора ТС, потечет переменный ток.
Рис. 9. Синхронный генератор с начальным подмагничиванием от магнитоэлектрического генератора
Возбужденное им магнитное поле индуктирует в рабочей обмотке трансформатора э.д.с. взаимоиндукции, которая создает ток возбуждения в цепи выпрямителя ВС и обмотки генератора. Прохождение тока по обмотке генератора усилит магнитный поток ротора и увеличит э.д.с. в обмотке статора и т. д.
Для увеличения остаточного намагничивания стали ротора в обмотку напряжения W2 трансформатора включены конденсаторы С, образующие вместе с обмоткой резонансный контур.
При работе генератора под нагрузкой проявляется действие токовой обмотки W1. Увеличение нагрузки сопровождается понижением напряжения на зажимах генератора. Однако ток, протекающий по обмотке трансформатора, создает магнитный поток, наводящий в обмотке W3 дополнительную э.д.с., что, в свою очередь, вызывает увеличение тока возбуждения генератора. Напряжение генератора восстанавливается до начальной величины.
С целью обеспечения амплитудно-фазового компаундирования в системе с резонансным контуром обмотки W1 и W2 включены встречно. Результирующая м. д. с. F3 (рис. 8,б) рабочей обмотки W3 равна геометрической сумме м. д. с. F1 и F2 обмоток и w2. При увеличении угла φ от 0 до 90° результирующая м. д. с. F3 возрастает. Соответственно увеличивается и э.д.с генератора и напряжение на его зажимах поддерживается в пределах номинального.
На рис. 8, в приведена векторная диаграмма токов возбуждения основного iв.о и компаундирующего iк. С увеличением угла сдвига фаз между током и напряжением, уменьшением cos φ растут результирующий ток возбуждения I и э.д.с. на зажимах генератора.
Описанная система самовозбуждения и автоматического регулирования обеспечивает регулирование напряжения генератора в зависимости от величины тока и cos φ нагрузки.
У синхронных генераторов типа МСС резонансный контур отсутствует. Начальное подмагничивание предусмотрено от специального генератора ГП с постоянными магнитами (рис. 9), установленного на валу основного генератора. Подмагничивающий генератор подключается к обмотке возбуждения генератора через одно из плеч силового выпрямителя ВС.
Для повышения точности регулирования, сокращения времени восстановления напряжения и максимального учета дополнительных возмущающих воздействий в схему вводится отрицательная обратная связь по отклонению напряжения. Подобное устройство называется корректором напряжения. Чаще всего корректоры напряжения подключаются к обмотке управления трансформатора компаундирования.
Точность регулирования систем фазового компаундирования с корректорами напряжения составляет ±2,5%, без корректоров напряжения — ±5%.
